东北大学田野课题组 ACS AMI：大孔水凝胶的高性能大气集水

2022-07-11 来源：高分子科技

在全球缺水的情况下，简单、低成本和高性能的大气集水（AWH）仍然是一个挑战。基于水凝胶聚合物的大气集水拥有低成本，易控制，易大批量制造的优势。但是传统的基于水凝胶的AWH策略一般都有吸水缓慢的问题。这是因为水凝胶对水的吸收是从块状水凝胶的表面到核心逐渐发生的。表面上的盐颗粒聚集并形成钝化层，水蒸气渗透性大大降低，导致吸附时间延长。因此，迫切需要开发一种简单而经济的AWH技术，用于大规模和高性能的大气水收集。

近期，东北大学医学与生物信息工程学院田野副教授团队提出了一种用于高性能AWH的简单而低成本的大孔水凝胶（LCP水凝胶）来解决这一挑战。研究者使用一种新颖和简单的发泡真空干燥（PFVD）方法来制备该低成本的大孔水凝胶（图1）。该水凝胶具有大孔结构和高比表面积，使内部吸附剂与外界空气充分接触，从而实现高性能的AWH。

图1 LCP水凝胶的制作

LCP水凝胶的大孔结构归功于孔隙发泡剂PEG-400的加入和真空干燥过程。其大孔结构提供了高的比表面积，确保了潮湿空气与内部吸附剂之间有效的、大范围的接触（图2）。与其他使用水凝胶基质的基于吸附的AWH相比，LCP水凝胶可以迅速让水渗透到整个水凝胶体中，而没有明显的钝化层。实验证明，LCP水凝胶可以实现高性能的AWH，具有广泛的吸附湿度（相对湿度（RH）从100%到20%），高吸水能力（在～98% RH，25°C的环境下60小时内最高可吸附自身重量433.72%的水分），快速的水吸附（在90%RH，25°C下的前3小时，吸附效率高达0.32g^-1 h^-1），良好的耐久性，较低的解吸温度（～50°C，最低），和较高的水释放率（可释放~99%吸附的水分）。LCP水凝胶在RH为90%、25°C的条件下，一夜之间可以吸收其自身重量的193.46%以上的水，并通过光热效应释放高达99.38%的吸附水。只需一个简易的自制装置，LCP凝胶每天便可产生约2.56 kg的水，超过一个成年人每天喝的平均饮水量（图3）。并且，以此种方法产生的水是安全可饮用的，其中的离子含量保持在安全范围内。

图2 LCP水凝胶的表面形貌特征

图3 LCP水凝胶的AWH

LCP水凝胶显示了在多种天气下进行AWH的巨大潜力，甚至可以在极度低湿的条件下运作，并可以部署在贫困和偏远地区。高性能、低成本和易于部署的LCP水凝胶不仅可以为大规模的AWH创造机会，还可以为功能材料、软物质、柔性电子、传感器、可穿戴设备、组织工程和生物医学应用提供潜在的候选材料。该工作以“Macroporous Hydrogel for High-Performance Atmospheric Water Harvesting”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上（DOI: 10.1021/acsami.2c04228）。文章第一作者是东北大学硕士生吕桐，通讯作者为东北大学田野副教授。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.2c04228

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（责任编辑：xu）

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